综述：电场在伤口愈合中的作用：从内源性机制到自供电可穿戴设备的应用

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Electric Field Regulation in Wound Healing: From Endogenous Mechanisms to Self-Powered Wearable Device Applications

　　王康宁|张俊文
中国浙江省义乌市浙江大学医学院第四附属医院与国际医学学院药学系，国际医学研究所，322000

**摘要**
加速伤口愈合（WH）的一个显著特征是在受伤后自然产生内源性电场（EEF）。当前的研究方向正向开发能够提供外部电场的智能技术发展。然而，大多数现有的可穿戴电源设备体积庞大且需要外部电源。这凸显了迫切需要开发新一代具有优异生物相容性的可穿戴电子产品，这些设备能够从人体或环境中获取物理和化学能量。本文回顾了电场在伤口愈合中的作用，并探讨了多种新型能量收集策略，包括摩擦电纳米发电机（TENGs）、压电纳米发电机（PENGs）和热电发电机（TEGs），并附有具体的研究案例分析。最后，简要总结了自供电技术及其潜在的未来发展方向。

**1. 引言**
平均而言，成人皮肤约占体重的15%～16%。[1][2][3] 作为重要的解剖屏障，皮肤可以抵御外部刺激[4][5][6][7]（如物理摩擦、化学物质、病原微生物），并通过汗液分泌和血管张力调节参与体温调节[8][9][10]。它还维持体液平衡，介导感觉传导（温度、疼痛、触觉）[11]，并合成维生素D和免疫相关成分（如朗格汉斯细胞）[12]。从结构上讲，皮肤由表皮、真皮、皮下组织及附属结构（毛囊、汗腺）组成[13][14][15][16]。
皮肤伤口是由于外部损伤导致的皮肤结构或功能完整性破坏，伤口愈合过程包括四个相互重叠的阶段：止血、炎症、增殖和重塑[17][18][19]。止血过程始于血小板激活和纤维蛋白凝块形成[20][21][22][23]，随后中性粒细胞浸润和M2型巨噬细胞极化以清除碎片并驱动增殖阶段[22][24][25]。增殖阶段涉及胶原蛋白沉积、血管生成和重新上皮化以及伤口收缩[26][27]，而重塑阶段则重组胶原纤维以恢复组织强度[28][29][30][31]。虽然伤口通常在四周内愈合[32][33]，但系统或局部障碍可能导致慢性伤口，这凸显了开发能够调节微环境的治疗方法的必要性[34][35][36][37]。
跨表皮电位（TEP）是指表皮内的电荷离子梯度所产生的垂直电位差[38][39]。Na+/K+ ATP酶泵对于TEP的产生和维持至关重要[40][41]：它将氯离子从表皮顶膜排出，并主动将钠离子输送到基底层，从而建立所需的离子梯度[42][43]。紧密排列的上皮细胞形成疏水电阻屏障，使TEP稳定在10-60 mV范围内[44]。
伤口的形成会在伤口部位产生一个与局部电阻率成比例的横向电场[45][46]。这种内源性电场（EEF）对关键愈合细胞具有趋化作用，引导它们迁移和增殖以促进修复[47][48][49]。这一发现为电刺激疗法在伤口管理中的临床应用提供了基础[50][51]。本文总结了电刺激对所有伤口愈合阶段的调节作用，还讨论了新型自供电生成机制（TENGs、PENGs、TEGs）及相关研究发现，并对用于促进临床伤口愈合的自供电敷料进行了总结和展望。

**2. 电刺激在伤口愈合过程中的作用**
作为人体最大的器官，皮肤具有抵抗有害外部因素的功能[52]。当皮肤的连续性被破坏时，其生理功能也会受到影响，从而形成伤口，导致正常的TEP被破坏并产生新的电流[53]。我们将其称为“伤口电流”，这种电流会引导伤口愈合的各个生理过程[54]。本文将探讨伤口电流在伤口愈合复杂过程中的作用机制，这一过程涉及止血、炎症、增殖和重塑等相互交织的阶段。

**2.1. 止血**
止血阶段是伤口形成后启动修复的主要阶段[55]。皮肤受伤后，表皮屏障的完整性遭到破坏，导致伤口中心出现电短路，原有的TEP消失（图1）。与伤口中心相比，伤口边缘的真皮表现出相对正的电位，从而形成指向伤口中心的内源性电场梯度，成为启动伤口修复的早期电信号[56][57]。这种电位差会引导血小板通过趋电性向伤口中心迁移并聚集在受伤部位[58]。同时，伤口电场还会刺激血小板释放促凝因子（如二磷酸腺苷ADP和血栓烷A2 TXA2）[59][60]，增强血小板聚集反应和纤维蛋白原转化为纤维蛋白的过程[61][62]。伤口电场还能调节局部钙离子浓度，加速凝血酶原激活剂的形成，并催化血栓素的生成[63][64]。此外，伤口电场通过扩张微血管、抑制炎症因子的过度释放等方式维持有利于止血的微环境[65]。

**2.2. 炎症阶段**
炎症阶段在伤口形成后立即开始，其特征是凝血级联反应、炎症信号通路和免疫系统的激活[66]。电刺激可诱导血管扩张，从而增强伤口部位的血液灌注[67][68]。这种血流动力学调节有助于向伤口床输送氧气和必需营养物质，同时减轻炎症性水肿，为随后的伤口愈合过程创造有利条件（图2）。Jiang等人发现巨噬细胞会朝向阴极方向迁移，迁移速度与电场强度成正比[70]。在生理电场的作用下，巨噬细胞会沿着外部电场方向排列，这一过程由聚合态肌动蛋白的重新分布、核脂质体和吞噬受体介导[53]。这种定向排列增强了巨噬细胞对羧酸微球、白色念珠菌和凋亡中性粒细胞的吞噬能力[71]。此外，电刺激还激活ERK和PI3K信号通路，通过TRPV2离子通道增加细胞内钙离子流入，显著提高巨噬细胞的细菌吞噬能力[72][73]。此外，电刺激还能调节炎症因子的表达平衡：具体来说，它降低促炎因子（如IL-1β和TNF-α）的表达，同时上调抗炎因子IL-10的表达（图2）[75]。这种调节机制可以有效缩短炎症阶段持续时间，防止急性伤口发展为难以治疗的慢性伤口[74][75]。

**2.3. 增殖阶段**
伤口形成会破坏皮肤结构的完整性并削弱其屏障功能，使伤口易受细菌感染，这种情况主要发生在炎症阶段[76][77]。当细菌浓度达到临界值时，炎症细胞无法清除入侵的微生物，导致持续的伤口感染，阻碍伤口愈合[78]。尽管抗生素常用于治疗细菌感染，但长期使用抗生素往往对慢性伤口无效，还可能引发抗生素耐药性。Wolcott等人首次研究了外源电刺激的体内抗菌作用[79]，发现负直流电（DC）能够成功清除慢性伤口中的铜绿假单胞菌和变形杆菌。Bolton等人进一步证明，直流电刺激在阳极具有杀菌效果，其抗菌效果与刺激时间和电流密度成正相关，而在阴极则没有这种效果[80]。值得注意的是，慢性伤口中的细菌并非以游离状态存在，而是形成高度耐药的细菌生物膜[81]。电刺激已被证实可以减少细菌附着，从而降低生物膜形成的可能性[82]。此外，电刺激与抗菌剂联合使用时可产生协同效应：通过改变细菌膜的通透性，间接增强抗菌药物的疗效，从而减轻细菌耐药性[83][84]。关于电刺激对人类细胞的安全性，适当的电流强度可以通过TEP维持细胞外环境的相对稳定性[85]，而附着在皮肤表面的细菌会因微环境的快速变化（如pH值波动）而被有效清除[85]。临床研究进一步证实，电疗法可显著减轻损伤部位的疼痛和炎症标志物，促进有效的组织修复[86]。总体而言，电刺激通过减少伤口病原体的数量和活力间接促进伤口愈合，同时对人类细胞的细胞毒性很小[87]。

**2.4. 重塑阶段**
伤口愈合的重塑阶段是最后一个阶段，可能需要数年时间才能完成[46]。电刺激对重塑阶段有以下影响（图4）：首先，电刺激可以调节胶原蛋白的沉积和排列，优化细胞外基质结构[97]。虽然电刺激会调节TGF-β信号通路，但能减少纤维细胞的异常增殖，并增加III型胶原的比例，使新形成的组织更接近正常皮肤的柔韧性[98][99]。电刺激还能激活整合素/FAK/RhoA信号通路，引导纤维细胞沿机械应力方向迁移，促进胶原纤维的平行排列，增强组织的机械强度[100]。其次，电刺激可抑制病理性疤痕的形成[101]。它还能促进M2型巨噬细胞的极化，平衡炎症因子的释放，抑制与疤痕相关的炎症反应[102]。此外，电刺激还能降低肌成纤维细胞的收缩活性，减轻疤痕挛缩[103]。持续的电刺激还能增强疤痕组织中的胶原酶活性，促进过度沉积的胶原蛋白降解。电刺激对血管的成熟和神经肌肉功能的重建也有积极作用。在血管化方面，电刺激增强了血管内皮细胞与周细胞的相互作用，促进基底膜的形成，使新形成的血管结构更加完整。同时，它调节血管张力，提高受伤区域的氧合水平，并促进组织代谢。[104]，[105] 在神经肌肉功能重建的背景下，电刺激通过激活钙离子信号通路（VGCCs - CaMKII）加速神经轴突的再生。[106] 同时，通过刺激机械敏感离子通道（如Piezo1），它促进本体感受器的再生并增强运动协调性。[107]下载：下载高分辨率图片（491KB）下载：下载全尺寸图片图4. 电刺激在重构阶段促进伤口愈合的机制。电刺激具有多效作用：（1）使巨噬细胞极化为M2表型，抑制炎症性瘢痕形成；（2）降低成纤维细胞活性，减轻瘢痕挛缩；（3）促进基底膜形成，以维持完整的血管结构；（4）激活VGCCs-CaMKII信号通路，加速神经轴突再生。图片标题的顺序是从左到右。在临床治疗中，重构阶段是伤口治疗过程中最关键的阶段。在这个阶段，成纤维细胞通过合成基质金属蛋白酶和细胞外基质（ECM）来调节伤口基质的分解，产生新的上皮细胞以恢复组织完整性，并引起新的血管系统收缩，最终将肉芽组织转化为瘢痕组织。[8] 这时，会有大量胶原蛋白沉积，这与瘢痕的形成密切相关。[108] 瘢痕的存在不仅影响外观，还可能影响患者的日常生活。[109]，[110] Weiss等人首次研究了电刺激与瘢痕之间的关系。他们发现电刺激可以改变瘢痕的厚度。[111] Kambic等人发现，交流电（AC）和直流电（DC）不仅可以促进伤口愈合，还对瘢痕的硬度有一定影响。[112] 研究结果表明，电刺激对瘢痕的拉伸强度有一定影响。总之，电刺激促进了伤口愈合的各个方面。根据以往的研究，电刺激已被用于诱导伤口愈合和皮肤再生的积极效果。在体内和体外实验中，电刺激是控制细胞活动的关键因素。在炎症阶段，更快地输送更多的免疫细胞和增强吞噬作用可以促进血管扩张。同时，电刺激加速伤口向增殖阶段的转变，这是预防慢性伤口的重要手段。更有序的再上皮化、纤维增生和血管生成表明伤口成功地重建为更强壮且无瘢痕的伤口。这些优势为未来电刺激生物材料的发展奠定了坚实的理论基础。3. 自供电伤口敷料的发展和应用在伤口修复过程中，外源性电刺激通过补充、增强和校正内源性伤口电场，恢复和稳定从周围完整组织到伤口中心的生理电场梯度，以及增强细胞的趋电迁移和电场介导的组织修复信号通路，从而促进上皮化、血管生成和组织重构过程的加速。市面上现有的用于伤口护理的电刺激设备仍存在一些关键限制，包括结构僵硬、皮肤贴合性差、生物相容性不足以及传统电池供电系统相关的感染风险[113]；同时，传统的有线或无线充电系统存在能效低、电磁干扰和佩戴舒适度不佳的问题，无法满足长期可穿戴监测的要求[114]，[115]。在临床实践中，用于伤口愈合的微电压电刺激依赖于笨重的外部电源，导致成本高昂、便携性差和患者活动受限。因此，自供电敷料（包括TENGs、PENGs和TEGs等）已成为研究重点，因为它们可以自主生成稳定的电信号，无需依赖外部电源或频繁充电，有效提高了临床便利性、患者依从性以及伤口治疗的安全性和可靠性。[73]3.1. 摩擦电纳米发电机3.1.1. 能量收集原理摩擦电纳米发电机（TENG）的基本原理基于摩擦电效应和静电感应。它利用静电感应原理将两种电极材料相对运动产生的电荷流转换为外部电流或电压输出。[116]，[117] 摩擦电纳米发电机有四种工作模式，如表1所示。[118]，[119] 鉴于伤口愈合过程是连续的，水平滑动模式的特点是连续输出电压，支持其在伤口敷料领域的研发和应用。表1. 摩擦电纳米发电机的四种工作模式工作模式结构特征能量输入形式典型输出特性应用场景垂直接触-分离模式垂直堆叠的双电极结构，两个摩擦层面对面垂直压缩、冲击和身体振动高输出电压，低电流，稳定的脉冲信号鞋内发电，运动振动监测，运动防护装备感应水平滑动模式平行双电极结构，摩擦层在平面内相对滑动水平线性往复运动，切向摩擦连续电流输出，可调幅度，稳定响应滑块传感器，生产线能量回收，体育设备中的滑动运动检测单电极模式单个工作电极，带有接地的对应电极，无需双重电极连线自由接触-分离运动，人体皮肤接触结构简单，低功耗，优异的耐磨性和集成性电子皮肤，脉搏/心率监测，触摸感应，乒乓球边缘球判断独立层模式摩擦电层在两个电极之间自由振动/移动，无约束高频振动，声波能量收集，风能收集，高速度运动监测，滑雪/骑行感应3.1.2. 输出参数、EEF调节和稳定性TENG产生高电压（数十至数百伏特）、低电流（微安级别）和功率密度为0.1～1 mW·cm-2。[120] 经过整流、电压降压和能量存储转换后，它输出与伤口EEF匹配的温和电信号，能够精确满足EEF的生理强度要求。TENG可以由柔性生物相容性材料制成，如PDMS和PI。它可以适应伤口的弯曲形态，并适应轻微的机械干扰，如人体关节运动和皮肤拉伸，避免因设备变形而中断电刺激，确保EEF稳定的可持续性[121]。3.1.3. 设备级研究2018年，Yin Long及其同事发明了一种可以通过组装材料的摩擦产生电力的环形绷带（图5）。[122] 这种绷带设备包含两个部分：发电部分和敷料电极。生物机械能量转换组件NG是通过在铜/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板的相对两侧分别涂覆聚对苯二甲酸乙二醇酯（一种负电材料）和另一层铜（一种正电材料）制成的。由于聚四氟乙烯（PTFE）的优异柔韧性，它可以相对于铜层来回滑动。[123] PET?Cu?PTFE的弯曲模量低于纯PET薄膜（图5b），使其能够很好地适应柔软的皮肤表面。因此，这种绷带可以利用皮肤运动引起的机械位移来通过正负电极材料重叠区域的变化来诱导电荷转移。当电荷向两个金电极移动或远离它们时，会在这些电极之间产生电势差。[124] 从而影响伤口愈合。这项发明利用皮肤运动引起的机械位移作为驱动力，并巧妙地集成了发电装置。他们将其应用于大鼠的伤口愈合中，如图5f所示。大鼠佩戴了两个发电装置，其中伤口区域佩戴的装置具有断开的金电极作为对照组。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图5. 基于NG的绷带及其潜在的伤口愈合应用。a NG配置的示意图。b PET、PET?Cu箔和PET?Cu箔?PTFE的弯曲模量。c PTFE、PET和空白对照组上的细胞存活情况。d NG的生物机械能量收集。SD大鼠的胸部包裹了这种能够收集大鼠呼吸产生的生物机械能量的绷带。e 不同频率下大鼠呼吸驱动的NG的电输出。f NG驱动的线性切口伤口愈合的实验装置数字图像。g 在内源性电场下的伤口愈合机制。[118] 版权2018，ACS出版物。在研究过程中，他们发现伤口愈合的方向与电场的方向密切相关。如图6a所示，当电场施加到伤口上时，皮肤组织的愈合方向变得更加有序。从视觉上看，伤口边缘的组织排列更加整齐，组织再生表现出明显的方向性。实验数据表明，与对照组相比，用电场处理的伤口在相同时间内愈合面积显著增加，表明电场对细胞迁移和增殖有明显的促进作用。这种由机械位移驱动的发电装置为伤口愈合提供了一种新的物理干预方法，具有很大的应用前景。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图6. 伤口愈合程度和愈合效率的比较。a 有（实验组）和无（对照组）电场的矩形伤口3天愈合过程的数字图像。b 用NG处理2天后伤口中心的H&E染色切片代表示例。刻度尺为2.5毫米。c 有无电场的方形伤口（实验组）随时间变化的（0?72小时）愈合过程的数字图像。刻度尺为5毫米。d 有无电场刺激（n = 3）的伤口面积随时间的变化（红色曲线和黑色曲线）。[122] 版权2018，ACS出版物。3.2. 压电纳米发电机3.2.1. 能量收集原理PENG依赖于压电效应的动态输出特性。[125] 它可以直接提供兼容的电刺激来稳定伤口EEF。其输出特性与EEF稳定的要求最佳匹配。核心优势在于动态调节和稳定性之间的平衡。3.2.2. 输出参数、EEF调节和稳定性PENG产生中等至低电压（几伏到几十伏特）、中等电流（微安到毫安级别）和功率密度为0.1 - 10 mW·cm-2（在传统模式下）（在冲击激励模式下可达到322.2 mW·cm-2）。[125]，[126] 它可以输出接近直流电的稳定信号，无需复杂的转换。该信号可以直接匹配EEF的生理梯度（10 - 100 mV/mm）。[127]，[128] 因此，PENG可以精确补充伤口EEF的能量损失，并迅速纠正异常的EEF（例如慢性伤口中的EEF极性反转）。压电材料可以分为无机、有机和复合压电材料[129]，[130]。有机压电材料具有良好的生物相容性，可以进一步分为天然和合成有机压电材料。具体细节见表2 [131]，[132]。尽管有机压电材料具有优异的生物相容性，但其压电系数相对较低[131]，[133]。目前的一个研究热点是如何在保持材料压电系数的同时提高其生物相容性。表2. 有机压电材料类别典型代表压电系数（d31, pC/N）柔韧性/韧性耐温性生物相容性核心优势天然有机压电材料骨骼、丝-1 ～ -5适中低环保、可生物降解、可持续含氟合成材料PVDF、PVDF-TrFE-20 ～ -30适中良好强压电性、高稳定性、易于加工非含氟合成材料尼龙、PI-2 ～ -10良好高（对于PI）适中低成本、高热稳定性、良好透明度新型先进材料PLA、PVDF-ZnO-5 ～ -25优异适中良好（对于PLA）可生物降解、可调性能、多功能集成3.2.3. 设备级研究2023年，Chen等人开发了一种自供电敷料以促进伤口愈合。该敷料由两部分组成（如图7所示），其中提供电压的压电组件采用静电纺丝技术制造。该组件的原材料是树枝状P(VDF-TrFE)纳米纤维（P(VDF-TrFE) NF），在受力变形时产生电信号（ES）。下层是一种含有铁离子和儿茶酚基团的导电粘合聚丙烯酰胺-明胶双网络水凝胶。它为敷料提供了良好的粘附性，并可以与压电材料结合，将敷料固定在伤口上。与此同时，这种水凝胶还具有出色的导电性，有助于将P(VDF-TrFE) NF产生的电信号（ES）传输到伤口处，从而促进伤口愈合。[134]下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图7. a 双层SEWD的示意图。b SEWD的典型拉伸曲线。c SEWD的粘附强度。d 压电效应的示意图。e 不同压力下的OCV输出曲线。f SEWD使灯泡发光的图片（左图，未连接；右图，已连接）。g 全厚度伤口愈合过程的照片。h 术后14天内各组大鼠伤口及区域皮肤组织的定量结果。[130] 版权所有2023年，ACS出版物。从图7可以看出，这种复合材料（SEWD）在实验条件下可以在较宽的范围内保持一致的变形，其抗拉强度为46.6 ± 2.3 KPa。两种独立结构之间的结合强度通过搭接剪切测试确定，强度为8.7 ± 0.83 KPa。优异的机械性能不仅使SEWD能够紧密贴合伤口且在使用过程中不易损坏，也是P(VDF-TrFE) NF稳定供电的必要条件。如图7d所示，在稳定的压力条件下，SEWD可以产生稳定的电压供应，其出色的自供电性能通过灯泡的亮起直观地展示出来（图3）。如图7g所示，研究团队将其应用于SD大鼠的伤口修复实验。每只大鼠的背部有两个面积相似的伤口，分别作为对照组和实验组。在第14天观察到，SEWD组的伤口修复效果更好。然而，在观察水凝胶组和SEWD组时发现，虽然SEWD组的伤口愈合程度优于水凝胶组，但差异并不显著。结合该材料的体外压电实验，这可能表明该材料在应用于生物体时仍存在某些不足。这可能不是由于材料本身的固有性质，而是因为其收集电能的主要驱动力与TENGs相同——两者都依赖于皮肤机械位移所产生的生物能量。尽管上述两种纳米发电机的发电方法不同，但不可否认的是，考虑到生物活动的不确定性，材料在应用过程中的电源连续性需要进一步研究。

3.3. 热电发电机
3.3.1. 能量收集原理
人类是恒温生物，能够保持相对恒定的体温。同时，随着当代人类科学技术的快速发展，空调已得到广泛普及。因此，大多数医疗设施乃至家庭环境都能维持相对稳定的环境温度。在这种情况下，人体与环境之间的温差可以成为稳定的电源驱动力。
3.3.2. 输出参数、EEF调节和稳定性
TEG产生的电压较低（从毫伏到几伏），电流中等偏高（在毫安级别），功率密度为0.01 - 0.5 mW·cm-2。[135]它输出稳定的直流电，无需整流和转换，可以直接提供连续的电刺激以稳定伤口的EEF。此外，它完美匹配了EEF的直流特性，从而避免了信号转换引起的EEF波动。[136]TEG是一种没有机械运动部件的固态设备，其输出特性仅取决于温差，不受伤口湿度或机械干扰的影响。它可以在伤口渗出物环境中实现稳定的长期输出，确保EEF调节的连续性，满足整个伤口修复周期的需求。[137]
3.3.3. 设备级研究
2024年，张等人报道了一种由温差驱动的热电材料（ET）（如图8a所示）。这种热电材料基于Bi2Te3化合物（图8c）。与其他热电材料相比，这类化合物在接近室温时表现出最佳的热电性能，并在室温下表现出优异的稳定性。电极使用纯铜制成，不仅成本低廉，而且导电性优异。此外，两根延长的铜线可以有效提高热电设备的灵活性，从而消除运动过程中产生的大应变对设备的影响。如图4e所示，只有在折叠近400次后，设备的电阻才会显著增加。[138]下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图8. a 左图显示了薄膜结构柔性热电（TE）设备的分解视图。中间图显示了两个由Cu线制成的电极将固定在皮肤上的设备连接到伤口处。右图插图示出了热量差通过热电设备产生电的过程，红色箭头标出了电流的路径。b显示了热电设备产生的电流刺激向伤口移动的成纤维细胞。右图显示了柔性TE设备快速愈合伤口的效果。c显示了由6对n型Bi2Te3和p型Bi0.5Sb1.5Te3矩形薄层组成的圆形多腿热电设备（左图）。柔性聚酰亚胺层密封了整个设备，以防止其与皮肤接触，确保生物相容性。黑色和红色箭头分别标记了热电材料和Cu电极。该设备非常灵活，可以手动折叠（右图）。d显示了生物相容性柔性热电设备的输出电压和功率与温差的关系。e显示了设备在弯曲半径为12毫米时的内部电阻，表明设备在折叠400次后几乎没有退化。插图显示了设备可以绕直径为12毫米的玻璃底部折叠。f是从上方看到的红外热成像图，显示了贴有柔性热电设备的麻醉大鼠的体温分布。插图对应于侧视图的温度分布。g的有限元分析解决了柔性热电设备内的温度分布（上图）和相应的电场（下图）。h显示了热电设备的体内实验配置、假手术组和对照组，以及12天内整个伤口愈合过程中的代表性图像。装有热电设备的伤口愈合速度比其他组快4天。[138] 版权所有2024年，Wiley-VCH。
在医学实践中，施加1毫伏的电压可以激活细胞增殖。[135]在本报告中，随着温差从6K扩大到30K，热电设备的开路电压从5毫伏增加到25毫伏（图8d）。为了避免碲对生物体的任何毒性作用，热电设备完全用生物相容性聚酰亚胺材料密封。这种密封处理不仅有效阻止了潜在有害物质的释放，还赋予了设备良好的防水性能，确保其在潮湿的伤口环境中也能稳定运行。这种热电设备的实际应用效果已在动物实验中得到验证。研究团队将其应用于小鼠背部伤口模型（如图8h所示）。通过监测不同时间点的伤口愈合过程，他们发现与没有温度纳米发电机的对照组相比，实验组的炎症反应较轻，肉芽组织生长更旺盛，伤口处的胶原沉积更有序。进一步的机制研究表明，热电设备产生的微弱电流可以调节伤口的局部氧化还原环境，抑制炎症因子的过度表达，同时促进成纤维细胞的增殖和迁移以及血管内皮细胞的血管生成能力。此外，由于其能量输入来自人体与环境之间的自然温差（图8f），无需依赖外部机械运动，因此在电源稳定性和易用性方面相比TENGs和PENGs具有独特优势。特别适用于长期卧床或行动受限的患者。然而，这类设备的能量转换效率仍有待提高。如何进一步优化材料的熱電性能参数，同时确保生物相容性，以及如何实现设备的微型化和灵活性以更好地适应伤口的复杂形态，是未来伤口敷料领域温度纳米发电机发展的关键问题。

3.4. 自供电伤口修复设备总结
在实际的皮肤伤口修复中，可以根据伤口类型、修复阶段和功率需求合理选择TENG、PENG和TEG：TENG适用于表浅伤口和灵活的可穿戴监测场景；PENG适用于需要动态电刺激和长期贴合的慢性/烧伤伤口；而结合能量存储模块的柔性TEG则适合长期稳定监测没有机械刺激的深层伤口。
为了系统比较现有自供电电刺激设备在伤口/骨骼损伤修复中的性能和特性，表3总结了最近研究中报道的代表性设备的核心参数，包括设备类型、电场特性、性能指标和治疗效果。

表3. 代表性自供电电刺激设备在伤口/骨骼损伤修复中的特性和效果
作者 设备类型 电场方向 电场类型 电场强度 作用机制 治愈效果
TRLY Yin Long [122] 垂直于伤口（有效）；平行于伤口（无效）；沿电场方向 自供电离散交变电场 峰值电压：0.2～2.2 V；电场强度：≈250 V/m（最大10 V/cm） 上调TGF-β/EGF/VEGF；促进成纤维细胞迁移/增殖/分化 实验组：≈94%（3天）；空白对照组：30%（150小时）
2018 Snigdha Roy Barman [140] 垂直于伤口；与温度梯度协同 自供电脉冲直流电场 输出电压：25 V；电流：1 μA；功率：18 μW（60 MΩ负载） 激活TGF-β1-ERK通路；促进成纤维细胞迁移；协同H2O2抗菌作用 实验组：100%（12天）；实验组：≈89%（12天）
2023 Yuhang Xu [141] 非接触式，沿伤口方向 自供电脉冲交变电场 峰值电压：131 V；电流：100 nA；NIR增强 激活PI3K/Akt, MAPK/ERK通路；上调VEGF/CD31；Zn2+控制释放抗菌作用 实验组：≈95.1%（10天）；对照组：≈91.0%（10天）；空白对照组：≈74.23%（10天）
2025 Yining Chen [134] PENG 微观：随机械变形动态可逆；宏观：伤口中心→周围组织 自供电离散脉冲交变电场 0.1 N：≈0.3 V；2 N：≈2.7 V；激活PI3K通路；上调VEGF/bFGF/PDGF 实验组：100%（14天）；对照组：47%（14天）；空白对照组：40%（14天）
2023 Shibao Fu [142] 单向脉冲（伤口边缘→中心） 自供电单向脉冲电场 0.42～2.63 V（大鼠活动） 抑制PTEN；增强PI3K-Akt/MEK-ERK通路；上调VEGF 实验组：100%（16天）；对照组：86.38%（16天）；空白对照组：60.13%（16天）
2023 Tianyi Lu [143] 均匀分布，指向伤口中心 自供电低强度脉冲电场 稳定脉冲电压（PVDF）；水凝胶导电性与皮肤匹配 协同CSGO抗菌作用；促进血管生成和胶原沉积 实验组：100%（21天）；对照组：<70%（21天）；空白对照组：<50%（21天）
2024 Yuwei Zhang [138] TEG 指向伤口中心（两侧都有电极） 自供电连续微伏直流电场 10 mV/K；激活Piezo1通路；上调HIF-1α/VEGF；激活NF-κB/AKT通路 实验组：100%（12天）；对照组：<70%（12天）；空白对照组：<70%（12天）
2024 Yuandong Qin [144] TEG 增强内源场（伤口→周围组织） 自供电连续微伏直流电场：10.80 mV/K 激活Ca2+/CaMKKβ/AMPK/Nrf2通路；上调VEGF/vWF 实验组：100%（15天）；对照组：≈83.33%（15天）；空白对照组：≈74.23%（15天）
2025 Yupei Wang [145] TEG 伤口中心→边缘 自供电连续直流电场 开路电压：≈0.97 V（第1天），≈0.16 V（第3天）（Fe-Mg一次电池） 促进EGF/VEGF-A释放；加速上皮化和新生血管形成 实验组：≈98.5%（12天）；对照组：≈70%（12天）；空白对照组：≈50%（12天）
注：TRL（技术成熟度等级）分类参照NASA标准：1级=基本原理验证，3级=实验室原型验证，5级=动物模型验证，7级=临床原型验证，9级=成熟临床应用；愈合率 =（初始伤口/骨折面积 - 剩余伤口/骨折面积）/ 初始伤口/骨折面积 × 100%。三种类型发电机在稳定伤口表面电场（EEF）方面的输出特性总结与比较
空穴型摩擦电纳米发电机（TENG）
压电纳米发电机（PENG）
热电发电机（TEG）

**驱动力**
- 机械能
- 机械能
- 温度差

**输出参数兼容性**
- 高电压、低电流；适用于低功率设备；需要整流和能量存储
- 中等电压、中等电流；高功率密度；动态适应性强；无需复杂整流
- 低电压、中高电流；直流输出；无需整流

**灵活性与生物相容性**
- 特别灵活、生物相容性好、可贴合伤口、无毒
- 极其灵活、生物相容性好、无机械磨损、能适应伤口变形
- 传统类型：刚性；新型号：灵活性较差；生物相容性好、无毒

**伤口微环境适应性**
- 对湿度敏感；需要防水封装；依赖机械激发
- 对湿度不敏感；无需复杂封装
- 不受湿度影响；依赖温度差

尽管近期取得了进展，但TENG、PENG和TEG设备在长期可穿戴和临床应用方面仍存在显著限制。输出性能不稳定、材料疲劳、分层以及较差的耐汗性等问题削弱了其耐用性和可靠性。此外，不可降解层和残留添加剂可能引发皮肤刺激和炎症反应，从而对长期皮肤使用带来安全风险。对于热电系统而言，接近室温时的能量转换效率低以及皮肤与环境之间的温差较小，导致连续供电不足。这些固有缺陷共同阻碍了自供电柔性电子系统在医疗监测和生理调节中的可靠临床转化和大规模应用。

**4. 结论**
总体而言，自供电伤口敷料作为一种创新的物理干预方法，在促进伤口愈合方面展现了巨大潜力。TENG、PENG和TEG分别利用皮肤运动的机械位移以及人体与环境之间的温差作为能量来源，在伤口部位产生电场或电流，加速愈合过程。初步实验研究表明，基于不同纳米发电技术制造的敷料可通过多种途径有效促进动物模型中的伤口愈合，包括调节细胞迁移和增殖、调控炎症反应以及引导组织再生方向。尽管实验结果令人鼓舞，现有纳米发电技术仍面临诸多挑战，阻碍其临床转化。

具体而言，摩擦电纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机（PENG）的供电稳定性易受体内生物活动不规律性的影响；热电发电机（TEG）的能量转换效率仍有提升空间。除了能量相关问题外，这些设备还需在多个关键方面进行深入研究：优化材料生物相容性以避免不良反应、进行长期体内安全性评估以确保临床可行性、提高能量输出调节精度以满足伤口愈合的动态需求，以及设计微型化和柔性结构以适应不同伤口的复杂形态。

为克服单一设备的局限性，多种纳米发电机（如TENG-PENG、TEG-TENG）的混合集成成为重要发展方向，这种集成可通过协同效应弥补单个系统的不足。通过材料、制造过程和调控框架的协同优化（尤其是近年来水凝胶在该领域的广泛应用），其低成本、优异的生物降解性和生物相容性为TENG、PENG和TEG的大规模临床应用奠定了坚实基础。这为精确调节伤口电场（EEF）和高效伤口修复提供了创新的自供电智能策略。

未来，随着多学科（如材料科学、生物医学工程和电子学）的融合以及材料性能和设备结构的持续进步，自供电伤口敷料有望从实验室研究走向临床实践应用。这一转变将为创伤修复领域带来更高效、便捷且安全的新型治疗策略。

**作者贡献声明**
王康宁：撰写 – 审稿与编辑
张军文：撰写 – 初稿

**未引用参考文献**
[139]

**关于科学写作中生成式AI的声明**
作者承认使用了AI辅助工具（如Grammarly）来提高语言准确性、纠正语法错误并增强文章的整体连贯性。本文的内容、分析讨论和结论完全由作者原创，AI工具仅用于优化文本的表述和清晰度。使用AI符合期刊对作者署名过程的透明度和道德规范要求。